虚拟设计简述(课程论文)

摘要：虚拟设计是利用计算机应用技术在计算机中构造成创建一个虚拟的、数字化的产品数字样机，代替部分或全部的物理样机，利用数字样机来完成初期设计阶段需通过物理样机完成的各项试验的虚拟考核。

基于虚拟现实技术对产品进行不投入实物生产前的各项模拟现实测试，仿真模拟，以保证产品在初期设计阶段的一次成功率。

虚拟设计在制造业应用前景很广，它所创建的数字样品拥有和物理样品相同的特性，而由于数字化使得修改，分析，优化更容易实现，以及与各元素之间的交互性使产品设计更能适应具体要求，节约成本，能实现敏捷制造，以及并行工程。

虚拟设计符合绿色设计的要求，是可持续发展以及高科技技术发展的必然趋势。

关键词：虚拟设计；数字化；虚拟现实技术；仿真模拟；交互性1虚拟设计的内容及产生背景虚拟设计（virtual design）是以计算机辅助设计为基础，利用虚拟现实技术发展而来的一种新的设计手段。

虚拟设计涉及众多学科和专业知识,广泛应用于企业的生产与制造之中。

本质上讲,虚拟设计是将产品从概念设计到投入使用的全过程(产品的生命周期)在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现,其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化,而是对产品的性能,行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。

它是产品开发的测试床。

虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物。

虚拟设计产生的背景是基于第三次计算机为代表的信息技术革命的发生，计算机技术的发展为其创造条件。

而且在世界范围内新的发展理念可持续发展的提出为探索新的设计方法诞生指明了方向。

由于虚拟设计主张设计将从有形设计向无形设计转变,从物质设计向非物质设计转变,从实物产品的设计向虚拟产品的设计转变,这一主张对环境与可持续发展是非常有利的，进而对其产生发展起来推动作用。

2虚拟设计的特征2.1虚拟现实(Virtual Reality简称VR)技术虚拟设计最根本特征是利用了虚拟现实技术。

虚拟现实技术是一种高度逼真的模拟人在自然环境中的视听动等行为的人机界面技术,简单的说是一种可以创建的体验虚拟世界的计算机系统。

计算机所创造的三维虚拟环境能使参与者得以全身心地置入该环境中,并通过专用设备(立体显示系统、头盔显示器、跟踪定位器、3D鼠标)实现人类自然的对虚拟环境中实体的交互考察与操作。

利用VR技术可以建立虚拟的产品模型用于设计研究,并可作为虚拟产品让消费者试用,极大缩短了产品开发的时间,降低新产品的风险。

虚拟现实技术在不同领域的发展也推动虚拟设计的发展。

21世纪虚拟现实技术己在建筑设计、产品设计、航天航空飞行仿真、模拟军事演习等方面应用并取得神奇效用。

以往的产品设计主要集中在产品的详细设计阶段,由于手段的限制、资金的限制对概念设计投入不多。

利用虚拟现实技术能够实现设计过程中任一环节的交互考察与操作,且所见即所得,有助于设计师更加快速、形象具体的实现和修改设计方案,减少不必要劳动,加强工业设计师与结构工程师资源共享,加强设计师与业主以及使用者之间的交流,提高产品更新速度,降低市场风险,创造更好经济效益。

如美国波音公司777飞机的虚拟原型机,就是利用虚拟产品设计技术设计的虚拟油泥模型:在对波音777飞机进行风洞试验时,也是完全在电脑上进行的虚拟现实试验;美国福特汽车公司科隆研究中心设计部经理罗勃认为,采用虚拟设计技术,可使整个设计过程时间减少2/3。

2.2虚拟设计的数字化虚拟设计本质的一个特征就是数字化。

虚拟相对于现实而言的，顾名思义,“虚拟设计”即“非物质设计’是在计算机技术的支持下以数字形式取代了传统的物质模型形式，具有低成本，易修改，交互性强等特点。

虚拟设计按照系统工程的设计思想,以先进设计理论和方法为指导,运用新技术、新观念进行的产品开发设计。

首先利用各种信息,在数字化系统平台里进行功能设计、结构设计、形态设计、色彩设计、材质设计、人机设计等方面的产品造型方案设计；然后在数字装配系统中实现数字化装配；进一步在综合评价系统中进行系统的分析评价，最后将最终方案输出到加工设备加工出产品,投放到市场之后再收集有关信息,反馈到数字化设计平台,实现再设计。

虚拟设计数字化以CAD为产品设计的主要手段,如Pro/Engineer、Unigraphies、Solidworks等都提供了产品设计的系统模块；利用网络和其他平台相连接,设计师从一开始就必须考虑到产品生命周期的每一个环节，设计、制造、使用、反馈等方面合理组织,及时解决出现的问题。

2.3虚拟设计的交互性虚拟设计采用的交互模式使得设计更灵活，让设计与周围环境更容易实现交互，能更好地满足设计要求，完善设计产品。

一般概念中的互动设计是指设计师与计算机之间的互动,但在虚拟设计中,互动模式的设计含义更加广泛。

设计师与设计工具的互动是设计最直接的交互。

设计师在设计过程中利用自身己有的知识、经验,充分发挥想象能力,而设计工具(如计算机软件)则发挥计算机能力强、运行速度快、建模工具丰富、材质真实感强等特点,共同合作,快速高效的完成设计任务。

设计方案造型是否美观,结构是否合理,在目前的生产水平和加工能力下制造是否可行,都可以运用专业软件对产品模型(包括质量、密度、扭力等)进行数据分析与测量。

市场调查人员和决策者与数字化模型之间的互动。

这对产品的设计效益起到很关键作用。

市场调查人员需要判断设计方案是否满足市场需求,是否与人们的消费趋向一致等。

这既是产品开发是否成功的关键,也是决策者必须关注的问题；同时设计方案是否符合企业的经营理念和发展方向,生产成本是否符合要求等,都可以对数字模型进行必要的分析、讨论,在产品投入大批量生产之前进行决策。

消费者与数字模型之间的互动。

按照目前做法,产品必须投入到市场后才知道是否成功,如果不成功,给企业带来的损失是很大的。

在基于数字化模型的虚拟设计中,设计人员可通过VR等技术,将数字方案以虚拟的模型形式逼真的展现在最终消费者面前,消费者借助VR浏览器在世界任何一个地方都能全方位的了解产品的每一个细节,并借助一些工具向设计者提出自己的意见和看法,而产品的开发不仅能够根据情况修正设计方案,而且还能了解产品的受欢迎程度,使产品投到市场后的风险降到最小。

2.4虚拟设计的集成一体化虚拟设计的一体化特征也是其未来发展的总方向和强大优势。

虚拟设计不同于传统设计，它具有高度集成性，不再是普通计算机辅助设计的人机交互。

虚拟设计包含整个设计和制造过程，包括概念设计，产品仿真模拟，虚拟工艺设计，虚拟装配设计，虚拟布局设计，虚拟人机工程等。

这种集成性有助于及时发现产品开发过程中的各种问题，将多个环节联系起来，这对产品开发周期和效益有很大的提升。

3虚拟设计在产品开发中的应用虚拟设计在产品开发中有广泛意义，利用虚拟现实技术能实现虚拟产品设计、虚拟制造，虚拟装配以及虚拟人机工程等。

即在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。

主要表现在设计者可以用不同的交互手段在虚拟环境中对参数化的模型进行修改。

虚拟设计在产品开发的过程体现在以下几方面。

3.1虚拟产品设计几年前,CAD技术为企业的产品开发过程提供了有力支持,在多数虚拟产品设计过程中是使用软件组合来完成。

如在复杂曲面的造型中,多采用RHINO、Pro/E、CATIA等软件组合使用来完成虚拟产品设计模型,实质上并没有把设计师从二维鼠标和键盘上解放出来,设计师也并没有真正的参与到虚拟设计中来,并且限制了设计师的积极性和创造性地发挥。

随着虚拟现实技术和多媒体技术的发展,不断提高的计算机操作的人机界面,改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互方式。

目前所采用的是将虚拟现实技术引入CAD环境,这将便于模拟新产品开发中新产品的某些性能,又便于设计人员对新产品的修改。

设计人员先利用CAD系统建模,再转换到VR环境中,让设计人员或客户来感知产品。

设计人员也可利用VR-CAD系统,直接在虚拟环境中进行设计和修改。

例如在对汽车设计时,设计人员在具有全交互性的设计环境中,利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置,将触觉、视觉、听觉与虚拟概念产品相联,不仅可以进行虚拟的合作,产生一种身历其境的感受还可以实时地对整个虚拟产品设计过程进行检查、评估,实地解决设计中的决策问题,使设计思想得到综合。

在交互性的虚拟产品快速成型设备上,设计人员对虚拟产品的设计模型直接设计,提高了设计人员的积极性与创造性地发挥。

有的企业在新产品开发时,建立了物理实验模型PMU(physical mock-up),如油泥模型(clay modeling)等已逐步被计算机和仿真代替,在此基础上进行建模和仿真设计,以达到产品设计方案的设计目的。

虚拟产品也就是最初的数字设计模型DMU(digital mock-up),虚拟产品设计的初级阶段的虚拟油泥建模(virtual clay modeling),可以适应创造性设计过程所提出的直观要求,所设计的产品可以得到精确的描述,物理模型可通过快速成型方法被迅速制作出来。

3.2虚拟装配设计虚拟装配设计（virtual assembly design）是虚拟设计在新产品开发方面具有较大影响的领域。

虚拟装配采用计算机仿真与虚拟现实技术,通过仿真模型在计算机上进行仿真装配,实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试,它是实际的装配过程在计算机上的本质体现。

过去的产品开发常需要花大量的时间、人力、物力来制作事物模型进行各种装配实验研究,力求在产品的可行性、实用性、产品性能等方面进行综合测试分析。

现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应该考虑装配问题,在虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度,优化设计方案。

虚拟装配的第一步是在CAD系统创建虚拟产品模型,然后进入并利用虚拟装配设计环境(virtual assembly design environment简称VADE)系统,开发人员在VADE系统中开展工作,借助虚拟装配设计环境系统,设计人员可在虚拟环境中使用各种工具对设计的机构进行装配检验,帮助设计人员及时发现装配缺陷,全面掌握虚拟制造中的装配过程,尽可能早的发现产品开发过程中的设计、生产、装配、工艺等问题。

3.3虚拟人机工程设计人机工程学是一门多学科的交叉学科，研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调。

虚拟人机工程（Virtual Man-machine Engineering）设计是借助虚拟人机工程系统,将它引进虚拟人机工程学评价系统,设计人员可以精确研究人机工程学参数,并在必要时可以修改虚拟部件的位置,重新设计整个产品的构造。